隧道氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術已經成為當前高效晶體硅太陽能電池的重要技術路線之一，并在產業化中快速發展。盡管TOPCon電池在規模化生產中已展現出較高效率，但其在器件結構方面仍存在進一步優化空間，特別是在前表面復合損失以及寄生光吸收方面。為進一步提升TOPCon電池效率，研究人員提出多種結構改進方案，其中包括雙面TOPCon和指狀局部接觸結構。通過優化前后表面的鈍化接觸結構，可以降低界面復合并減少寄生吸收，從而提高電池的開路電壓和光電轉換效率。美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環境氛圍，進行長期的穩定性能測試。

本文系統研究了多種TOPCon結構，包括傳統TOPCon、雙面TOPCon、指狀TOPCon以及雙面指狀TOPCon結構，并通過器件仿真與實驗驗證相結合的方法，分析其效率潛力與損失機制。同時，在此基礎上構建了高性能硅底電池，并進一步與鈣鈦礦頂電池集成，實現高效率鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池。

不同TOPCon結構的效率潛力模擬

a. 四種TOPCon電池架構示意圖；b. 計算得到的PCE極限和功率損失分析

研究通過Quokka 3軟件模擬對比了四種TOPCon結構的理論效率潛力：

傳統TOPCon結構（正面全覆蓋硼發射極+背面全覆蓋n型TOPCon）

雙面TOPCon結構（正反兩面全覆蓋n型和p型TOPCon）

指狀TOPCon結構（正面圖案化n型TOPCon指+背面全覆蓋p型TOPCon）

雙面指狀TOPCon結構（正反兩面均為圖案化TOPCon）

模擬結果顯示，傳統TOPCon的效率潛力最低，為26.75 %，主要受限來自正面p+發射極非接觸區域的復合。雙面TOPCon通過替換掉硼發射極，效率潛力提升至27.29 %，但正面全覆蓋的多晶硅(n+)即使減薄到10納米，仍存在明顯的寄生吸收。指狀TOPCon由于采用了圖案化設計，大幅降低了正面寄生吸收，效率潛力達到最高的27.67 %。有趣的是，雙面指狀TOPCon反而因為空穴收集效率下降和體復合增加，效率潛力降至27.13 %。

從損耗分析來看，隨著表面鈍化的不斷優化，電池的主要損耗機制正逐漸轉向硅片的本征俄歇復合，這反映了當前鈍化技術已接近材料物理極限。綜合比較，指狀TOPCon被認為是最具發展潛力的結構。

指狀TOPCon電池的實驗結果

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a. 指狀TOPCon太陽能電池結構示意圖。(b) 正面圖案化SiO?/多晶硅(n?) 和 (c) 背面雙層SiO?/多晶硅(p?) 鈍化接觸的SEM圖像。指狀TOPCon電池的認證 (d) I-V和P-V曲線及 (e)EQE曲線。f. 多年來FBC TOPCon電池的PCE evolution圖。g. 指狀TOPCon電池的功率和自由能損失分析。封裝的單電池指狀TOPCon組件在(h)加速DH測試、(i) LID測試和(j) LeTID測試下的穩定性

基于模擬指導，研究制備了工業尺寸（335.5平方厘米）的指狀TOPCon電池。其核心結構是：正面絨面上通過紫外激光和堿刻蝕形成約210微米寬的圖案化SiOx/多晶硅(n+)指狀電極，覆蓋Al?O?/SiN?多層鈍化減反膜；背面拋光面上則是全覆蓋的雙層SiOx/多晶硅(p+)鈍化接觸。

該電池獲得了26.34 %的認證效率，關鍵參數為：開路電壓743.2毫伏、填充因子85.0 %、短路電流密度41.69毫安/平方厘米。相比傳統的激光摻雜選擇性發射極TOPCon電池（25.4 %），指狀TOPCon實現了24.1毫伏的電壓增益和1.34個百分點的填充因子提升，這直接證實了正面復合得到有效抑制、載流子橫向輸運高效。

電流損失方面，0.55毫安/平方厘米的短路電流損失主要來自210微米寬的正面多晶硅指，與模擬預測的0.57毫安/平方厘米高度吻合。外量子效率曲線在短波（300-400納米）和長波（1000-1200納米）區域的下降也印證了這一損失來源。后續通過進一步窄化和減薄正面多晶硅指，有望進一步提升電流。

通過Quokka模擬進行損耗分析，結果顯示正面區域的功率損耗極小（0.20毫瓦/平方厘米），證明了圖案化設計和鈍化疊層的有效性。第二大損耗來自背面雙層p型TOPCon接觸（0.52毫瓦/平方厘米），表明這是當前的主要性能瓶頸。最大損耗（0.77毫瓦/平方厘米）來自硅體區的載流子輸運和復合，提示使用更高質量的硅片將是進一步提升效率的關鍵路徑。

穩定性測試方面，封裝的指狀TOPCon組件表現優異：濕熱測試（85°C/85%相對濕度）2000小時后效率衰減僅2.97%；光致衰減測試8個月后仍保持99.8 %的初始效率；高溫誘導衰減測試324小時后效率損失小于1.5%。紫外穩定性也同樣出色。

正面n型TOPCon的優化

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a. 圓滑金字塔的橫截面SEM圖像。 (b) 傳統熱場和(c)梯度熱場下制備的多晶硅的俯視SEM圖像。d. 梯度熱場下制備的多晶硅的橫截面SEM圖像。e. 有和無梯度熱場制備的多晶硅的拉曼光譜。f. 有和無梯度熱場制備的SiO?/多晶硅(n?)鈍化的絨面n型硅的注入水平依賴有效壽命。g. 電化學電容-電壓法測量的磷摻雜濃度分布。h. SiO?/多晶硅(n?)鈍化的絨面n型硅的J?和iVoc隨磷摻雜濃度的變化。i. 絨面n型硅上SiO?/多晶硅(n?)的ρc隨磷摻雜濃度的變化

在正面絨面制備高質量的圖案化n型TOPCon，關鍵在于三個方面的優化：絨面形貌、多晶硅結晶度和磷摻雜濃度。

傳統堿制絨形成的尖銳金字塔，其峰谷處缺陷密度高、膜層沉積不均勻，且金屬化時易受銀漿腐蝕。研究引入了一種工業兼容的圓滑金字塔絨面處理工藝，顯著降低了表面粗糙度，使SiOx/多晶硅(n+)沉積更均勻，同時有效防止了銀漿腐蝕。重要的是，配合優化后的多層減反膜，圓滑化帶來的反射損失幾乎可以忽略。

針對多晶硅結晶度的提升，研究在低壓化學氣相沉積系統中開發了梯度熱場技術。相比傳統的單一熱場，梯度熱場大幅改善了爐管內溫度均勻性，從而生長出晶粒更大、缺陷密度更低的多晶硅薄膜。拉曼光譜顯示，梯度熱場制備的多晶硅半高寬從11.9波數收窄至8.4波數，峰位向高波數移動表明內應力減小。相應地，樣品的隱含開路電壓從718毫伏提升到742毫伏，暗復合參數從10.1飛安/平方厘米降至1.0飛安/平方厘米。

磷摻雜濃度的優化則需要在鈍化和接觸性能之間取得平衡。通過調控擴散參數，研究實現了1.5×102?到4.3×102?/立方厘米的摻雜濃度變化。隨著濃度從1.5×102?增加到3.3×102?/立方厘米，平均暗復合參數從7.2降至1.0飛安/平方厘米，隱含開路電壓從726升至740毫伏。這歸因于更高結晶度帶來的摻雜效率提升，增強了場效應鈍化。當濃度超過3.3×102?后，暗復合參數反而上升，可能是缺陷生成或高溫過程損傷了氧化硅界面層。接觸電阻率則隨摻雜濃度升高持續降低，在最佳濃度點達到0.61毫歐·平方厘米。綜合優化后，正面非接觸區域的總暗復合參數低至0.6飛安/平方厘米，為743.2毫伏的高開路電壓奠定了基礎。

背面p型TOPCon的工程化設計

a. 雙層SiO?/多晶硅(p?)結構的HAADF和EDX元素分布圖像。b. 熱生長SiO?厚度對雙層SiO?/多晶硅(p?)鈍化的平面n型硅iVoc的影響。c. 有和無預退火處理的硼擴散多晶硅薄膜的拉曼光譜。雙層SiO?/多晶硅(p?)鈍化的平面n型硅iVoc隨多晶硅(p?)(d)結晶度和(e)硼摻雜濃度的變化。f. 雙層SiO?/多晶硅(p?)的ρc隨銀漿中堿金屬氧化物含量的變化。g. 火接觸后雙層SiO?/多晶硅(p?)結構的橫截面SEM圖像

背面p型TOPCon的制備難度遠高于n型，主要是硼原子容易在氧化硅層中富集，損傷界面鈍化。研究設計了一種雙層結構：SiOx / 多晶硅(p+) / SiOx / 多晶硅(p+)，核心是在兩層多晶硅之間插入一層約1納米厚的原位氧化SiOx中間層，用于抑制后續火過程中銀結晶的穿刺。

系統優化表明，650°C原位熱氧化生長的SiOx質量最佳，歸因于其致密、近化學計量比的特性，能有效阻擋硼原子向界面擴散。SiOx厚度從1.4納米增加到1.8納米時，樣品的隱含開路電壓從733毫伏提升至745.4毫伏；超過2納米后，因硼擴散減弱、場效應鈍化下降，電壓回落。

預退火處理對多晶硅結晶度的影響顯著。1050°C預退火后，多晶硅結晶度大幅提升，且硼擴散后仍保持良好結晶性。相應地，樣品隱含開路電壓從698.9毫伏躍升至745.7毫伏，主要歸因于高結晶度帶來的摻雜效率提升，增強了場效應鈍化。此外，高溫預退火可能改善了氧化硅的化學計量并形成適度針孔，提供了額外的載流子傳輸路徑，減輕硼對氧化硅的損傷。

硼摻雜濃度的優化同樣呈現火山型曲線：從4×101?增至1×102?/立方厘米時，隱含開路電壓從725升至745.7毫伏；超過此濃度后，俄歇復合和硼相關缺陷導致性能下降。相比單層結構，雙層結構由于能有效阻擋硼內擴散、減輕界面損傷，鈍化性能顯著提升：隱含開路電壓從734提升至747毫伏，暗復合參數從6降至2.2飛安/平方厘米。

接觸性能方面，研究開發了專用銀漿。通過在玻璃粉中摻入堿金屬氧化物，降低了熔點、改善了流動性，使接觸電阻率逐步降低，在4%摻量時達到0.82毫歐·平方厘米。引入粗糙銀粉后，進一步降至0.55毫歐·平方厘米。更關鍵的是，雙層結構有效抑制了銀結晶穿刺：掃描電鏡圖像顯示，銀結晶僅穿透外層多晶硅，被中間氧化硅層阻擋；而單層結構則觀察到銀大量穿透進入硅體。Quokka模擬估算背面接觸暗復合參數僅5飛安/平方厘米，為高開路電壓做出重要貢獻。

鈣鈦礦/TOPCon疊層電池

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a. 鈣鈦礦/TOPCon疊層電池結構示意圖。b. 認證的J-V曲線。冠軍器件的 (c) 穩定功率輸出和(d)EQE曲線。e. 鈣鈦礦/TOPCon疊層電池的PCE evolution圖。f. 封裝的疊層電池在室溫、氮氣氛圍、連續光照下的長期MPP跟蹤

疊層電池的效率受限于底電池的開路電壓和短路電流。傳統TOPCon底電池開路電壓偏低，而平面結構因陷光差導致電流受限。研究采用雙面TOPCon作為底電池——正面全覆蓋n型TOPCon、背面雙層p型TOPCon，該底電池本身已實現24%的效率，開路電壓741.3毫伏，且正面為絨面結構有利于陷光。

基于此，研究制備了單片鈣鈦礦 / TOPCon疊層電池。冠軍器件（1平方厘米）獲得32.73 %的認證效率，遲滯可忽略，最大功率點跟蹤穩定輸出32.3 %。關鍵參數為：開路電壓1.961伏、填充因子81.83 %、短路電流密度20.40毫安/平方厘米。

外量子效率測試顯示鈣鈦礦頂電池貢獻21.38毫安/平方厘米，TOPCon底電池貢獻20.46毫安/平方厘米，與認證電流吻合。

從電壓貢獻來看，鈣鈦礦頂電池約貢獻1.24伏，則底電池貢獻0.72伏。1.961伏的總電壓高于此前報道的鈣鈦礦 / TOPCon疊層，與鈣鈦礦/硅異質結疊層相當。32.73%的效率也超越了現有已發表結果。

但電流仍受限：光學模擬顯示，底電池正面和背面多晶硅分別造成0.97和0.49毫安/平方厘米的寄生吸收損失，這是后續優化的重點。

穩定性方面，封裝的疊層電池在連續光照、室溫、氮氣氛圍下進行最大功率點MPP跟蹤，2000小時后仍保持80 %的初始效率，展現出良好的運行穩定性。

本研究成功開發了指狀TOPCon太陽能電池，通過正面圖案化n型TOPCon指和背面全覆蓋雙層p型TOPCon的結構設計，實現了26.34 %的認證效率。743.2毫伏的開路電壓和85.0 %的填充因子證實了優異的載流子選擇性，濕熱、光致衰減、高溫誘導衰減測試均顯示出色的可靠性。未來進一步提升的方向包括：繼續窄化和減薄正面圖案化n型TOPCon指以降低寄生吸收；背面采用局域減薄的p型TOPCon結構進一步降低復合損失。有望在量產中實現接近27%的效率。更重要的是，將雙面TOPCon作為底電池，研究實現了32.73 %的認證效率的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池，且具有良好的運行穩定性。這一技術路線與現有工業生產線高度兼容，為下一代高效光伏技術提供了可規模化的解決方案。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，疊層成品電池穩定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統始終以最優功率輸出。這不僅能最大化發電量，還能提升整個光伏系統的工作穩定性和經濟性。

原文參考：Bifacial tunnel oxide passivating contacts for silicon and perovskite/silicon tandem solar cells with improved efficiency

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